JP5465829B2 - Thermoelectric module - Google Patents
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Description
本発明は熱電素子及び電極からなる直列回路に通電するに伴い生ずるペルチェ効果を利用して一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールに関し、特に予備半田に起因する基板の反りによって熱電素子が損傷することを防止するものである。 The present invention relates to a thermoelectric module that conducts heat from one substrate to the other by utilizing the Peltier effect generated when a series circuit including a thermoelectric element and an electrode is energized, and more particularly, the thermoelectric module is caused by warpage of the substrate caused by preliminary solder. This prevents the element from being damaged.
様々な機器の温度調整装置として熱電モジュールが用いられる。図18は一般的な熱電モジュールの構成を示す図である。熱電モジュール9は、互いに対向する2つの基板11、21と、各基板11、21の対向面11a、21aに形成される複数の電極12、22と、一端31a、32aが電極12を介して一方の基板11の対向面11aに接合し他端31b、32bが電極22を介して他方の基板21の対向面21aに接合する態様で各基板11、21の対向面11a、21aに配置される複数のP型熱電素子31及びN型熱電素子32(以下単に「熱電素子31、32」という)と、各基板11、21の背面11b、21bに形成されるメタライズ層13、23と、メタライズ層13、23を介して各基板11、21の背面11b、21bに形成される予備半田層14、24と、を備える。複数の電極12、22と複数の熱電素子31、32は、電極12、熱電素子31、電極22、熱電素子32、電極12…というサイクルで順次接続されて直列回路を構成する。一方の基板の対向面、ここでは基板11の対向面11aには直列回路の終端となる終端電極41が形成され、この終端電極41に図示しない電流供給用のリード線又は柱状の導電体が接続される。
Thermoelectric modules are used as temperature control devices for various devices. FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a general thermoelectric module. The thermoelectric module 9 includes two
リード線又は柱状の導電体を介して直列回路に電流が供給されると、ペルチェ効果によって基板11と基板21との間で一方向の熱伝導が発生する。このとき一方の基板では吸熱作用が発生し、他方の基板では放熱作用が発生する。通電方向を逆にすると逆方向の熱伝導が発生し、吸熱作用と放熱作用が逆転する。ここでは基板11を吸熱側とし基板21を放熱側とする。
When a current is supplied to the series circuit via a lead wire or a columnar conductor, heat conduction in one direction occurs between the
電極12、22は金属、例えば銅メッキ等で形成され、熱電素子31、32はBi−Te系合金で形成される。電極12、22と熱電素子31、32はAuSn接合半田によって接合される。
The
基板11、21は絶縁性のセラミック、主にAl2O3(アルミナ)又はAlN(窒化アルミ)で形成される。Al2O3の熱膨張係数は6.7×10-6/℃であり、AlNの熱膨張係数は4.5×10-6/℃である。一方、予備半田層14、24はSn−Ag−Cu系半田である。Sn−Ag−Cu系半田の熱膨張係数は21.5×10-6/℃である。このように基板11、21の熱膨張係数と予備半田層14、24の熱膨張係数とには3倍以上の差がある。このためメタライズ層13、23に予備半田層14、24がコーティングされた後に基板11、21と予備半田層14、24の温度が共に低下すると、基板11、21よりも予備半田層14、24の方がより収縮し予備半田層14、24によって背面11b、21bが引っ張られるため、基板11、21には背面11b、21b側に反ろうとする力が作用する。すると熱電素子31、32がこの力に引っ張られて損傷する虞がある。そうなると熱電モジュール自体の性能に悪影響が及ぶ。理論上、基板11、21と予備半田層14、24のそれぞれの材料を熱膨張係数が近いものにすれば熱膨張係数の差に起因する基板11、21の反りは低減し、その結果熱電素子31、32の損傷は解消するが、現状では基板11、21と予備半田層14、24に上述した材料以外を用いることは難しい。
The
基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術として、例えば特許文献1の発明がある。特許文献1の発明では四角形状の基板の四隅に生ずる反りの力が最も大きいものとして、基板の対向面のうち四隅に熱電素子を配置しないようにすることで熱電素子の損傷を防止している。このように特許文献1には基板に対する熱電素子の配置を工夫することが開示されている。 As a technique for preventing damage to the thermoelectric element due to warping of the substrate, for example, there is an invention of Patent Document 1. In the invention of Patent Document 1, it is assumed that the warping force generated at the four corners of the rectangular substrate is the largest, and the thermoelectric elements are prevented from being damaged by not disposing the thermoelectric elements at the four corners of the opposing surface of the substrate. . As described above, Patent Document 1 discloses devising the arrangement of thermoelectric elements with respect to a substrate.
なお、予備半田層が形成された基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術とは関係がないが、基板に対する熱電素子の配置に関しては特許文献2にも開示がある。この発明は熱電素子を基板の対向面の中心領域で疎状態にし外周領域で密状態にして配置することによって基板上の温度分布を均等にするようにしている。
Although there is no relation to a technique for preventing damage to the thermoelectric element due to warping of the substrate on which the preliminary solder layer is formed,
また基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術として、特許文献1の発明以外に特許文献3の発明がある。熱電モジュールには、2つの対向する基板のサイズが異なるものがある。2つの基板のサイズが異なる熱電モジュールにおいては、大きい基板のうち対向面から延長する領域に入力及び出力端子が形成される。入力及び出力端子は電極及び熱電素子からなる回路に接続される。特許文献3の発明では大きい基板の背面に形成されるメタライズ層を小さい基板のメタライズ層と同じ形状にすることで熱電素子の損傷を防止している。予備半田をコーティングするメタライズ層が小さければ、予備半田の領域が小さくなり基板の反りも小さくなる。 In addition to the invention of Patent Document 1, there is an invention of Patent Document 3 as a technique for preventing damage to the thermoelectric element due to warping of the substrate. Some thermoelectric modules differ in the size of two opposing substrates. In a thermoelectric module in which two substrates have different sizes, input and output terminals are formed in a region extending from the opposing surface of a large substrate. The input and output terminals are connected to a circuit composed of electrodes and thermoelectric elements. In the invention of Patent Document 3, damage to the thermoelectric element is prevented by making the metallized layer formed on the back surface of the large substrate the same shape as the metallized layer of the small substrate. If the metallization layer for coating the preliminary solder is small, the area of the preliminary solder is reduced and the warpage of the substrate is also reduced.
また基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術として、特許文献1の発明以外に特許文献4の発明がある。特許文献4の発明では基板の背面に形成されるメタライズ層を分割して形成することで熱電素子の損傷を防止している。予備半田をコーティングするメタライズ層が分割されていれば、予備半田も分割されることになり基板に作用する反りの力が分散することになる。
特許文献1の発明では基板の対向面の四隅に熱電素子が配置されていない。このような構造だと基板の対向面の外周部に配置される熱電素子が少なくなるため、熱電モジュール全体の剛性が低下する。また特許文献3の発明は2つの基板のサイズが異なる熱電モジュールには適用できるが、2つの基板のサイズが同じ熱電モジュールには適用できない。また特許文献4の発明のようにメタライズ層を分割すると、予備半田のコーティング時に各予備半田の偏りが生じやすくなる。すると厚い予備半田が形成された基板部分で反りが大きくなり熱電素子が損傷する虞がある。このように特許文献1、3、4の発明によるとその特徴に応じた新たな問題が発生する。このため特許文献1、3、4の発明とは異なる手段で基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術が望まれている。
In the invention of Patent Document 1, thermoelectric elements are not arranged at the four corners of the opposing surface of the substrate. With such a structure, the number of thermoelectric elements arranged on the outer peripheral portion of the opposing surface of the substrate is reduced, so that the rigidity of the entire thermoelectric module is lowered. The invention of Patent Document 3 can be applied to thermoelectric modules in which the sizes of two substrates are different, but cannot be applied to a thermoelectric module in which the sizes of two substrates are the same. Further, if the metallized layer is divided as in the invention of
さらに図19で示すように、特許文献1、3の発明では、基板11、21は対向面11a、21aの中央cに配置された熱電素子31c、32cを基点にして反る。そして中央cから遠ざかるほど反りの変位量X及び力Fが大きくなることから、基板11、21の外周に配置される熱電素子31b、32bは損傷する可能性が高くなる。つまり熱電素子が損傷するという問題を解消しきれないといえる。
Further, as shown in FIG. 19, in the inventions of Patent Documents 1 and 3, the
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力を低減することによって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することを解決課題とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to prevent damage to thermoelectric elements due to warping of the substrate by reducing the displacement amount and force of warping that occurs on the outer periphery of the substrate. It is.
上記課題を解決するために、第1発明は、
互いに対向する2つの基板と、各基板の対向面に形成される複数の電極と、一端が電極を介して一方の基板の対向面に接合し他端が電極を介して他方の基板の対向面に接合する態様で各基板の対向面に配置される複数の熱電素子と、を備え、前記複数の電極と前記複数の熱電素子とで直列回路が形成され、当該直列回路に電流が流れることで一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールにおいて、
前記複数の熱電素子が前記基板の対向面のうち中央領域を除く領域に密状態で配置されること
を特徴とする。
In order to solve the above problems, the first invention is:
Two substrates facing each other, a plurality of electrodes formed on the opposing surface of each substrate, one end joined to the opposing surface of one substrate via the electrode, and the other end facing the other substrate via the electrode A plurality of thermoelectric elements arranged on opposite surfaces of each substrate in a manner to be bonded to each other, and a series circuit is formed by the plurality of electrodes and the plurality of thermoelectric elements, and current flows through the series circuit. In a thermoelectric module that conducts heat from one substrate to the other,
The plurality of thermoelectric elements are densely arranged in a region excluding the central region of the opposing surface of the substrate.
第1発明では、熱電素子が基板の対向面のうちの中央領域に配置されず、中央領域を除く領域すなわち中央領域を取り囲む周辺領域や外周領域に密状態で配置される。対向面の中央に熱電素子が配置される場合と対向面の中央領域を除く領域に熱電素子が配置される場合とを比較すると、前者よりも後者の方が反りの基点となる熱電素子が外周側に位置することになり、すなわち反りの基点と基板の外周との距離が短くなる。反りの基点と基板の外周との距離が短いほど、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。また熱電素子が密に配置されることで、基板の反りによって一つあたりの熱電素子が引っ張られる力は小さくなる。また熱電モジュール自体の剛性が低下することを防止できる。 In the first invention, the thermoelectric elements are not arranged in the central region of the opposing surface of the substrate, but are densely arranged in a region excluding the central region, that is, a peripheral region surrounding the central region and an outer peripheral region. Comparing the case where the thermoelectric element is arranged in the center of the opposing surface and the case where the thermoelectric element is arranged in the region excluding the central region of the opposing surface, the thermoelectric element in which the latter is the base of warping is more peripheral than the former In other words, the distance between the base point of warpage and the outer periphery of the substrate is shortened. The shorter the distance between the base point of the warp and the outer periphery of the substrate, the smaller the displacement amount and force of the warp generated on the outer periphery of the substrate. Further, since the thermoelectric elements are densely arranged, the force with which each thermoelectric element is pulled by the warp of the substrate is reduced. Moreover, it can prevent that the rigidity of thermoelectric module itself falls.
第2発明は第1発明において、
前記中央領域の面積は前記基板の対向面に対する1つの熱電素子の設置面積の4倍以上であること
を特徴とする。
The second invention is the first invention,
The area of the central region is at least four times the installation area of one thermoelectric element with respect to the opposing surface of the substrate.
第2発明では、対向面の中央領域を、熱電素子の設置面積の4倍以上という条件で定義している。 In the second invention, the central region of the opposing surface is defined under the condition that it is at least four times the installation area of the thermoelectric element.
第3発明は第1発明において、
前記中央領域に補強部材が形成されること
を特徴とする。
The third invention is the first invention,
A reinforcing member is formed in the central region.
第3発明では、基板の対向面の中央領域に補強部材が形成される。補強部材は基板の反りに抗するように作用するため、基板に反りが発生しにくくなる。補強部材としては、熱電モジュールの性能に影響を与えない硬い部材が適する。 In the third invention, the reinforcing member is formed in the central region of the opposing surface of the substrate. Since the reinforcing member acts to resist warping of the substrate, the substrate is less likely to warp. As the reinforcing member, a hard member that does not affect the performance of the thermoelectric module is suitable.
第4発明は第1発明において、
前記中央領域に前記複数の熱電素子のいずれかに接続される電極が延伸すること
を特徴とする。
4th invention is 1st invention,
An electrode connected to any one of the plurality of thermoelectric elements extends in the central region.
第4発明では、基板の対向面の中央領域に周辺領域に形成された電極部材が延伸する。電極は基板の反りに抗するように作用するため、基板に反りが発生しにくくなる。また中央領域に電極が延伸しない場合は熱電モジュールの熱分布に若干の偏りが生ずる虞があるが、中央領域に電極が延伸する場合は中央領域からも基板に熱が伝導するため、熱電モジュールの熱分布に偏りが生ずることはない。 In the fourth invention, the electrode member formed in the peripheral region extends in the central region of the opposing surface of the substrate. Since the electrode acts to resist warping of the substrate, it is difficult for the substrate to warp. In addition, if the electrode does not extend to the central region, there may be a slight deviation in the heat distribution of the thermoelectric module. However, if the electrode extends to the central region, heat is conducted from the central region to the substrate. There is no bias in the heat distribution.
第5発明は第1発明において、
各基板の背面側に予備半田層を形成する前後での前記直列回路の抵抗値の変化量が、前記予備半田層を形成する前の前記直列回路の抵抗値の1%以下となるように前記複数の熱電素子が配置されること
を特徴とする。
5th invention is 1st invention,
The change amount of the resistance value of the series circuit before and after forming the preliminary solder layer on the back side of each substrate is 1% or less of the resistance value of the series circuit before forming the preliminary solder layer. A plurality of thermoelectric elements are arranged.
各基板の背面側に予備半田層を形成する前後で電極と熱電素子とからなる直列回路の抵抗値は変化する。予備半田層を形成する前の直列回路の抵抗値に対するこの変化量の割合を抵抗変化率という。第5発明では、この抵抗変化率が1%以下となるように複数の熱電素子が配置される。熱電素子が損傷するとその損傷部分が抵抗となり回路の抵抗値が増加する。逆に熱電素子の損傷を防止すれば抵抗値の増加はなくなる。予備半田前後での抵抗変化率は1%程度までであれば許容できる。熱電素子の配置に応じて基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は変化することから、第5発明では、予備半田前後での抵抗変化率が1%以下となる程度に、対向面の中央領域を除く領域に熱電素子が配置されることを条件としている。 The resistance value of the series circuit composed of the electrode and the thermoelectric element changes before and after the preliminary solder layer is formed on the back side of each substrate. The ratio of the amount of change to the resistance value of the series circuit before forming the preliminary solder layer is referred to as resistance change rate. In the fifth invention, a plurality of thermoelectric elements are arranged so that the rate of change in resistance is 1% or less. When the thermoelectric element is damaged, the damaged portion becomes a resistance and the resistance value of the circuit increases. Conversely, if the thermoelectric element is prevented from being damaged, the resistance value will not increase. The resistance change rate before and after preliminary soldering is acceptable up to about 1%. Since the displacement amount and force of the warp generated on the outer periphery of the substrate change according to the arrangement of the thermoelectric elements, in the fifth aspect of the invention, the center of the opposite surface is adjusted so that the resistance change rate before and after the preliminary solder becomes 1% or less. The condition is that the thermoelectric element is arranged in a region other than the region.
上記課題を解決するために、第6発明は、
互いに対向する2つの基板と、各基板の対向面に形成される複数の電極と、一端が電極を介して一方の基板の対向面に接合し他端が電極を介して他方の基板の対向面に接合する態様で各基板の対向面に配置される複数の熱電素子と、各基板の背面に形成される予備半田層と、を備え、前記複数の電極と前記複数の熱電素子とで直列回路が形成され、当該直列回路に電流が流れることで一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールにおいて、
各基板の背面と予備半田層との間にメタライズ層が形成され、
各基板の背面側に予備半田層を形成する前後での前記直列回路の抵抗値の変化量が、前記予備半田層を形成する前の前記直列回路の抵抗値の1%以下となる程度に、前記電極が前記メタライズ層よりも厚いこと
を特徴とする。
In order to solve the above problems, the sixth invention provides:
Two substrates facing each other, a plurality of electrodes formed on the opposing surface of each substrate, one end joined to the opposing surface of one substrate via the electrode, and the other end facing the other substrate via the electrode A plurality of thermoelectric elements disposed on opposing surfaces of each substrate and a preliminary solder layer formed on the back surface of each substrate, wherein the plurality of electrodes and the plurality of thermoelectric elements are connected in series. In the thermoelectric module that conducts heat from one substrate to the other substrate by current flowing through the series circuit,
A metallized layer is formed between the back surface of each substrate and the preliminary solder layer,
The amount of change in the resistance value of the series circuit before and after forming the preliminary solder layer on the back side of each substrate is not more than 1% of the resistance value of the series circuit before forming the preliminary solder layer. The electrode is thicker than the metallized layer.
第6発明では、抵抗変化率が1%以下となる程度に、基板の背面に形成されるメタライズ層よりも基板の対向面に形成される電極が厚くされる。電極は反りに抗するように作用するため、電極が厚いほど基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。第6発明では、電極の厚さを、メタライズ層の厚さよりも厚いという条件で定義している。 In the sixth invention, the electrodes formed on the opposing surface of the substrate are made thicker than the metallized layer formed on the back surface of the substrate to such an extent that the rate of change in resistance is 1% or less. Since the electrode acts to resist warping, the thicker the electrode, the smaller the amount of warpage displacement and force generated on the outer periphery of the substrate. In the sixth invention, the thickness of the electrode is defined on the condition that it is thicker than the thickness of the metallized layer.
第1発明によれば、熱電素子が基板の対向面のうち中央領域を除く領域に配置されるため、反りの基点と基板の外周との距離が短くなり、その結果、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。また熱電素子が密に配置されることで、基板の反りによって一つあたりの熱電素子が引っ張られる力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。 According to the first invention, since the thermoelectric element is disposed in a region excluding the central region of the opposing surface of the substrate, the distance between the base point of the warp and the outer periphery of the substrate is shortened, and as a result, the warp generated on the outer periphery of the substrate. The amount of displacement and the force are small. Further, since the thermoelectric elements are densely arranged, the force with which each thermoelectric element is pulled by the warp of the substrate is reduced. Such an action makes it possible to prevent the thermoelectric element from being damaged due to the warping of the substrate.
さらに第1発明は熱電モジュールの外周に熱電素子が密に配置されることによって熱電素子の断面2次モーメントが大きくなり機械的外力に対して強い構造となるため、熱電モジュールをパッケージ等に接合する際の外力による熱電素子の破損を減少させることができる。 Further, according to the first aspect of the present invention, since the thermoelectric elements are densely arranged on the outer periphery of the thermoelectric module, the second moment of section of the thermoelectric element is increased and the structure is strong against mechanical external force. Therefore, the thermoelectric module is joined to a package or the like. Damage to the thermoelectric element due to external force can be reduced.
第6発明によれば、電極の厚みによって基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。 According to the sixth aspect of the invention, the amount of warpage displacement and force generated on the outer periphery of the substrate are reduced by the thickness of the electrode. Such an action makes it possible to prevent the thermoelectric element from being damaged due to the warping of the substrate.
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は第1の実施形態に係る熱電モジュールの基本的な構成を示す。 FIG. 1 shows a basic configuration of a thermoelectric module according to the first embodiment.
図1に示す熱電モジュール1と図18に示す従来の熱電モジュール9の構成部品は同じであり、各構成部品の接続関係も同じである。異なるのは基板11、21の対向面11a、21aに対する熱電素子31、32や電極12、22の配置である。そこで図1に示す熱電モジュール1の各構成部品のうち、図18に示す熱電モジュール9の構成部品と同一のものには同一の符号を付し、構成部品や接続関係に関する説明を省略する。
The components of the thermoelectric module 1 shown in FIG. 1 and the conventional thermoelectric module 9 shown in FIG. 18 are the same, and the connection relationship of each component is also the same. The difference is the arrangement of the
各熱電素子31、32は基板11、21の対向面11a、21aのうちの中央領域11c、21cを除く領域11d、21dに配置される。熱電モジュール1においては各熱電素子31、32の数が同一サイズの従来の熱電モジュール9と等しくされる。熱電モジュール9は各熱電素子31、32が対向面11a、21aの全領域に均等に配置されるため、熱電モジュール9における熱電素子31、32間の間隔よりも、本実施形態の熱電モジュール1における熱電素子31、32間の間隔の方が狭くなる。すなわち熱電素子31、32は領域11d、21dに密状態で配置されている。基板11、21は四角形状であり、熱電素子31、32は対向面11a、21aの縁及び四隅にも配置される。
The
対向面11a、21aの中央領域11c、21cには補強部材15、25が配置されていてもよい。補強部材15、25は電極12、22と同じ材料で形成されたダミー電極でもよいし、他の材料で形成されていてもよい。補強部材15、25は基板11、21の反りに抗するように作用するため、中央領域11c、22cに補強部材15、25が存在することで基板11、21に反りが発生しにくくなるという効果を奏する。補強部材としては、熱電モジュール1の性能に影響を与えない硬い部材が適する。
Reinforcing
また中央領域11c、22cには補強部材15、25の代わりにその周辺に配置された電極12、22の一部が延伸していてもよい。電極12、22は基板11、21の反りに抗するように作用するため、中央領域11c、22cに電極12、22が延伸することで基板11、21に反りが発生しにくくなるという効果を奏する。また中央領域11c、21cに電極12、22が延伸しない場合は熱電モジュール1の熱分布に若干の偏りが生ずる虞があるが、中央領域11c、21cに電極12、22が延伸する場合は他の領域11d、21dと同様に中央領域11c、21cにも熱が伝導するため、熱電モジュール1の熱分布に偏りが生ずることはない。このため熱分布をより均一にすることが可能になるという効果を奏する。
In addition, instead of the reinforcing
図2で示すように、第1の実施形態では、基板11、21は対向面11a、21aの領域11d、21dの内周に配置された熱電素子31a、32aを基点にして反る。
As shown in FIG. 2, in the first embodiment, the
図19のように対向面11a、21aの中央cに熱電素子31、32が配置される場合と図2のように対向面11a、21aの中央領域11c、21cを除く領域11d、21dに熱電素子31、32が配置される場合とを比較すると、前者よりも後者の方が反りの基点となる熱電素子31、32が外周側に位置することになり、すなわち反りの基点と基板11、21の外周との距離が短くなる。反りの基点と基板11、21の外周との距離が短いほど、基板11、21の外周に生ずる反りの変位量X及び力Fは小さくなる。また熱電素子31、32が密に配置されることで、基板11、21の反りによって一つあたりの熱電素子31、32が引っ張られる力は小さくなる。
When the
次に本実施形態に係る幾つかの構成例と他の構成例とを比較して本実施形態の有効性について検討する。有効性は予備半田後の熱電素子31、32の損傷度合によって判断でき、予備半田後の熱電素子31、32の損傷度合は抵抗変化率を計測することによって知ることができる。ここで抵抗変化率は次のように定義される。予備半田層14、24を形成する前後で電極12、22と熱電素子31、32とからなる直列回路の抵抗値は変化する。予備半田層14、24を形成する前の直列回路の抵抗値に対する予備半田前後での抵抗値の変化量の割合を抵抗変化率という。
Next, the effectiveness of this embodiment will be examined by comparing several configuration examples according to this embodiment with other configuration examples. The effectiveness can be judged by the degree of damage of the
以下で具体的な比較1〜3を図3〜図8を用いて検討する。各比較では基板11、21や熱電素子31、32の条件、すなわち基板11、21の材料及びサイズや熱電素子31、32のサイズ及び対数等を同一にし、熱電素子31、32の配置のみを変えている。そして基板11、21の背面11b、21bには予備半田層(Sn96.5Ag3.0Cu0.5:融点217℃、30μm相当)を形成した。本発明者らは各比較で抵抗変化率1.0%という値を合格基準値として設定し、それ以下であれば熱電素子31、32の損傷度合が少ないものと判断することにした。
Specific comparisons 1 to 3 will be discussed below with reference to FIGS. In each comparison, the conditions of the
[比較1]
図3(a)は比較1における実施例1の配置を示し、図3(b)〜(d)は比較1における比較例1〜3の配置を示す。図3の各図は放熱側の基板21に対する熱電素子31、32と電極22の位置を吸熱側の基板11側から見た状態を示している。
[Comparison 1]
3A shows the arrangement of Example 1 in Comparative Example 1, and FIGS. 3B to 3D show the arrangement of Comparative Examples 1 to 3 in Comparative Example 1. FIG. Each figure of FIG. 3 has shown the state which looked at the position of the
図4は比較1における各例の条件を示す。ここに示すように比較1ではW4.76mm×L3.72mmの基板に0.32mm角、長さ0.38mmの熱電素子を20対配置した4つの熱電素子を比較した。なおここでいう「対数」というのは、一つの電極12に接合されるP型熱電素子31とN型熱電素子32を一つの対と数え、その総数をいう。
FIG. 4 shows the conditions of each example in comparison 1. As shown here, in comparison 1, four thermoelectric elements were compared in which 20 pairs of 0.32 mm square and 0.38 mm long thermoelectric elements were arranged on a W4.76 mm × L 3.72 mm substrate. The “logarithm” here refers to the total number of P-type
図3(a)に示すように、実施例1では対向面11a、21aのうち中央領域11c、21cを除く領域11d、21dに熱電素子31、32が配置される。図4ではこの配置を「中抜き」と称している。さらに実施例1では中央領域11c、21cにダミー電極が配置されている。図3(b)に示すように、比較例1では対向面11a、21aの全領域に熱電素子31、32が等間隔に配置される。図4ではこの配置を「等間隔」と称している。図3(c)に示すように、比較例2では対向面11a、21aの外周領域を除く領域に熱電素子31、32が配置される。図4ではこの配置を「中寄せ」と称している。図3(d)に示すように、比較例3では対向面11a、21aの四隅に熱電素子31、32が密に配置され、その他の領域に熱電素子31、32が粗く配置される。図4ではこの配置を「隅密、中粗」と称している。
As shown to Fig.3 (a), in Example 1, the
図4で示される実施例1及び比較例1乃至3の抵抗変化率を較べて判るように、実施例1の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0以下であり、このことから熱電素子31、32の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例1乃至3の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値1.0を超えており、このことから熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。
As can be seen by comparing the resistance change rates of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 shown in FIG. 4, the resistance change rate of Example 1 is an acceptable standard value 1. From this, it can be determined that the degree of damage of the
なお、比較例3は対向面11a、21aの中央領域に熱電素子31、32が配置されていないという点で実施例1と一致する。比較例3が合格基準を満たさなかったのは熱電素子31、32が配置されない中央領域が狭すぎたためと考えられる。このことから、中央領域にはある程度の広さが必要であることが推測される。
In addition, the comparative example 3 corresponds with Example 1 by the point that the
[比較2]
図5(a)は比較2における実施例2、3の配置を示し、図5(b)は比較2における比較例4、5の配置を示す。図6は比較2における各例の条件を示す。ここに示すように比較2ではW4.42mm×L5.66mmの基板に0.45mm角、長さ0.38mmの熱電素子を29対配置した4つの熱電素子を比較した。
[Comparison 2]
FIG. 5A shows the arrangement of Examples 2 and 3 in
図5(a)に示すように、実施例2、3では対向面11a、21aのうち中央領域11c、21cを除く領域11d、21dに熱電素子31、32が配置される。図6ではこの配置を「中抜き」と称している。さらに実施例2、3では中央領域11c、21cにダミー電極が配置されている。図5(b)に示すように、比較例4、5では対向面11a、21aの四隅を除く全領域に熱電素子31、32が等間隔に配置される。図6ではこの配置を「角抜き」と称している。
As shown in FIG. 5A, in Examples 2 and 3, the
図6で示される実施例2、3及び比較例4、5の抵抗変化率を較べて判るように、実施例2、3の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0以下であり、このことから熱電素子31、32の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例4、5の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値1.0を超えており、このことから熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。
As can be seen by comparing the resistance change rates of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 4 and 5 shown in FIG. 6, the resistance change rates of Examples 2 and 3 pass any of the average value, the maximum value, and the minimum value. Since the reference value is 1.0 or less, it can be determined that the degree of damage of the
なお、実施例2、3は対向面11a、21aの中央領域11c、21cを1つの熱電素子の設置面積の約5つ分としている。
In Examples 2 and 3, the
[比較3]
図7(a)、(b)は比較3における実施例4、5の配置を示し、図7(c)、(d)は比較3における比較例6、7の配置を示す。図8は比較3における各例の条件を示す。ここに示すように比較3ではW3.1mm×L2.5mmの基板に0.27mm角、長さ0.38mmの熱電素子を10対配置した4つの熱電素子を比較した。
[Comparison 3]
7A and 7B show the arrangement of Examples 4 and 5 in Comparative 3, and FIGS. 7C and 7D show the arrangement of Comparative Examples 6 and 7 in Comparative 3. FIG. FIG. 8 shows the conditions of each example in comparison 3. As shown here, in comparison 3, four thermoelectric elements were compared in which 10 pairs of 0.27 mm square and 0.38 mm long thermoelectric elements were arranged on a W3.1 mm × L2.5 mm substrate.
図7(a)、(b)に示すように、実施例4、5では対向面11a、21aのうち中央領域11c、21cを除く領域11d、21dに熱電素子31、32が配置される。図8ではこの配置を「中抜き」と称している。さらに実施例4、5では中央領域11c、21cにダミー電極が配置されている。図7(c)に示すように、比較例6では対向面11a、21aの全領域に熱電素子31、32が等間隔に配置される。図8ではこの配置を「等間隔」と称している。図7(d)に示すように、比較例7では対向面11a、21aの四隅を除く全領域に熱電素子31、32が等間隔に配置される。図8ではこの配置を「角抜き」と称している。
As shown in FIGS. 7A and 7B, in Examples 4 and 5, the
図8で示される実施例4、5及び比較例6、7の抵抗変化率を較べて判るように、実施例4、5の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0以下であり、このことから熱電素子31、32の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例6の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0を超えており、このことから熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。また比較例7の抵抗変化率は平均値、最小値が合格基準値1.0以下であるものの、最大値が合格基準値1.0を超えており、このことから比較例6よりはましであるが、それでも熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。
As can be seen by comparing the resistance change rates of Examples 4 and 5 and Comparative Examples 6 and 7 shown in FIG. 8, the resistance change rates of Examples 4 and 5 are acceptable regardless of the average value, maximum value, or minimum value. Since the reference value is 1.0 or less, it can be determined that the degree of damage of the
なお、実施例4は対向面11a、21aの中央領域11c、21cを1つの熱電素子の設置面積の約4つ分としている。このことから、中央領域11c、21cの面積が熱電素子31、32の設置面積の4倍以上であれば、予備半田に起因する熱電素子31、32の損傷を抑制することができるものと推測できる。
In the fourth embodiment, the
図9、図10は図3に示す実施例1の別形態を示す。図9に示す実施例6では中央領域11c、21cに一体化したダミー電極が配置されている。図10に示す実施例7では中央領域11c、21cにその周辺領域に配置される電極12、22が延伸している。実施例6、7の熱電素子31、32の配置は実施例1の熱電素子31、32の配置と同じであるため、抵抗変化率は同程度またはそれ以下になると推測される。
9 and 10 show another embodiment of the first embodiment shown in FIG. In the sixth embodiment shown in FIG. 9, dummy electrodes integrated with the
第1の実施形態によれば、熱電素子が基板の対向面のうち中央領域を除く領域に配置されるため、反りの基点と基板の外周との距離が短くなり、その結果、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。また熱電素子が密に配置されることで、基板の反りによって一つあたりの熱電素子が引っ張られる力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。 According to the first embodiment, since the thermoelectric element is disposed in a region excluding the central region of the opposing surface of the substrate, the distance between the base point of warpage and the outer periphery of the substrate is shortened, and as a result, the outer periphery of the substrate The amount of warpage displacement and force that occur are reduced. Further, since the thermoelectric elements are densely arranged, the force with which each thermoelectric element is pulled by the warp of the substrate is reduced. Such an action makes it possible to prevent the thermoelectric element from being damaged due to the warping of the substrate.
さらに第1の実施形態は熱電モジュールの外周に熱電素子が密に配置されることによって熱電素子の断面2次モーメントが大きくなり機械的外力に対して強い構造となるため、熱電モジュールをパッケージ等に接合する際の外力による熱電素子の破損を減少させることができる。 Furthermore, in the first embodiment, since the thermoelectric elements are densely arranged on the outer periphery of the thermoelectric module, the second moment of the section of the thermoelectric element is increased and the structure is strong against mechanical external force. Damage to the thermoelectric element due to external force during joining can be reduced.
図11は第2の実施形態に係る熱電モジュールの基本的な構成を示す。 FIG. 11 shows a basic configuration of a thermoelectric module according to the second embodiment.
図11に示す熱電モジュール2と図18に示す従来の熱電モジュール9の多くの構成部品は同じであり、各構成部品の接続関係及び配置も同じである。異なるのは電極とメタライズ層の厚さ差である。そこで図11に示す熱電モジュール2の各構成部品のうち、図18に示す熱電モジュール9の構成部品と同一のものには同一の符号を付し、構成部品や接続関係に関する説明を省略する。
Many components of the
図11に示す熱電モジュール2は、各電極12、22の厚さがメタライズ層13、23の厚さよりも厚く形成される。その厚さ差の程度は抵抗変化率が1%以下となる程度である。
In the
次に本実施形態に係る幾つかの構成例と他の構成例とを比較して本実施形態の有効性について検討する。有効性の判断は第1の実施形態と同様に抵抗変化率を計測することによって行う。 Next, the effectiveness of this embodiment will be examined by comparing several configuration examples according to this embodiment with other configuration examples. The determination of effectiveness is performed by measuring the resistance change rate as in the first embodiment.
以下で具体的な比較4〜6を図12〜図17を用いて検討する。各比較では基板11、21や熱電素子31、32の条件、すなわち基板11、21の材料及びサイズや熱電素子31、32のサイズ及び対数等を同一にし、電極12、22とメタライズ層13、23の厚さのみを変えている。但し各例で電極12、22の厚さとメタライズ層13、23の厚さの和は40μmに統一し、その和の中でそれぞれの厚さを変えている。また電極12、22とメタライズ層13、23を銅メッキで形成した。そして基板11、21の背面11b、21bには予備半田層(Sn96.5Ag3.0Cu0.5:融点217℃、30μm相当)を形成した。本発明者らは各比較で抵抗変化率1.0%という値を合格基準値として設定し、それ以下であれば熱電素子31、32の損傷度合が少ないものと判断することにした。
[比較4]
図12は比較4における配置を示す。図12は放熱側の基板21に対する熱電素子31、32と電極22の位置を吸熱側の基板11側から見た状態を示している。図13は比較4における各例の条件を示す。ここに示すように比較4ではW4.76mm×L3.72mmの基板に0.32mm角、長さ0.38mmの熱電素子を20対配置した4つの熱電素子を比較した。
[Comparison 4]
FIG. 12 shows the arrangement in
図13に示すように、比較例8では電極12、22の厚さとメタライズ層13、23の厚さが等しい。対して実施例6乃至8では実施例8、7、6の順で電極12、22の厚さがメタライズ層13、23の厚さよりも厚い。
As shown in FIG. 13, in Comparative Example 8, the thicknesses of the
図13で示される実施例6乃至8及び比較例8の抵抗変化率を較べて判るように、実施例6乃至8の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0以下であり、このことから熱電素子31、32の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例8の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値1.0を超えており、このことから熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。
As can be seen by comparing the resistance change rates of Examples 6 to 8 and Comparative Example 8 shown in FIG. 13, the resistance change rates of Examples 6 to 8 are acceptable standard values regardless of the average value, the maximum value, or the minimum value. It can be determined that the degree of damage to the
[比較5]
図14は比較5における配置を示す。図15は比較5における各例の条件を示す。ここに示すように比較6ではW2.8mm×L2.6mmの基板に0.32mm角、長さ0.38mmの熱電素子を10対配置した4つの熱電素子を比較した。
[Comparison 5]
FIG. 14 shows the arrangement in comparison 5. FIG. 15 shows the conditions of each example in comparison 5. As shown here, in comparison 6, four thermoelectric elements in which 10 pairs of 0.32 mm square and 0.38 mm length thermoelectric elements are arranged on a W2.8 mm × L2.6 mm substrate were compared.
図15に示すように、比較例9では電極12、22の厚さとメタライズ層13、23の厚さが等しい。対して実施例9乃至11では実施例11、10、9の順で電極12、22の厚さがメタライズ層13、23の厚さよりも厚い。
As shown in FIG. 15, in Comparative Example 9, the thicknesses of the
図15で示される実施例9乃至11及び比較例9の抵抗変化率を較べて判るように、実施例9乃至11の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0以下であり、このことから熱電素子31、32の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例9の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値1.0を超えており、このことから熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。
As can be seen by comparing the resistance change rates of Examples 9 to 11 and Comparative Example 9 shown in FIG. 15, the resistance change rates of Examples 9 to 11 are acceptable standard values regardless of the average value, the maximum value, or the minimum value. It can be determined that the degree of damage to the
[比較6]
図16は比較6における配置を示す。図17は比較6における各例の条件を示す。ここに示すように比較6ではW3.2mm×L2.5mmの基板に0.27mm角、長さ0.38mmの熱電素子を12対配置した4つの熱電素子を比較した。
[Comparison 6]
FIG. 16 shows the arrangement in comparison 6. FIG. 17 shows the conditions of each example in comparison 6. As shown here, in Comparison 6, four thermoelectric elements were compared in which 12 pairs of 0.27 mm square and 0.38 mm length thermoelectric elements were arranged on a W3.2 mm × L2.5 mm substrate.
図17に示すように、比較例10では電極12、22の厚さとメタライズ層13、23の厚さが等しい。対して実施例12乃至14では実施例14、13、12の順で電極12、22の厚さがメタライズ層13、23の厚さよりも厚い。
As shown in FIG. 17, in the comparative example 10, the thickness of the
図17で示される実施例12乃至14及び比較例10の抵抗変化率を較べて判るように、実施例12乃至14の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値1.0以下であり、このことから熱電素子31、32の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例10の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値1.0を超えており、このことから熱電素子31、32の損傷度合が大きいと判定できる。
As can be seen by comparing the resistance change rates of Examples 12 to 14 and Comparative Example 10 shown in FIG. 17, the resistance change rates of Examples 12 to 14 are acceptable standard values regardless of the average value, the maximum value, or the minimum value. It can be determined that the degree of damage to the
第2の実施形態によれば、電極の厚みによって基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。 According to the second embodiment, the amount of warpage displacement and force generated on the outer periphery of the substrate are reduced by the thickness of the electrode. Such an action makes it possible to prevent the thermoelectric element from being damaged due to the warping of the substrate.
なお、第1の実施形態と第2の実施形態を組み合わせてもよい。すなわち基板の対向面の中央領域を除く領域に電極を介して熱電素子を配置し、さらに各電極の厚さをメタライズ層よりも厚くしてもよい。 Note that the first embodiment and the second embodiment may be combined. That is, a thermoelectric element may be arranged via an electrode in a region excluding the central region of the opposing surface of the substrate, and each electrode may be thicker than the metallized layer.
1、2…熱電モジュール、11、21…基板、12、22…電極、
13、23…メタライズ層、14、24…予備半田層、
31…P型熱電素子31、32…N型熱電素子
1, 2 ... Thermoelectric module, 11, 21 ... Substrate, 12, 22 ... Electrode,
13, 23 ... Metallized layer, 14, 24 ... Pre-solder layer,
31 ... P-type
Claims (3)
前記複数の熱電素子が前記基板の対向面のうち中央領域を除く領域であって、当該中央領域を囲繞する外周領域のみに、同一サイズの熱電モジュールの基板の対向面の全領域に前記複数の熱電素子を均等に配置した場合よりも、密状態で配置され、
前記中央領域は、熱電素子を配置することが可能な領域であり、前記基板の対向面に対する1つの熱電素子の設置面積の4倍以上の面積を有する領域であって、当該中央領域には、前記熱電素子は存在せず、当該中央領域の基板の両対向面には、前記電極と同じ材料または他の材料で形成され、前記熱電素子を搭載しない補強部材が形成されること
ことを特徴とする熱電モジュール。 Two substrates facing each other, a plurality of electrodes formed on the opposing surface of each substrate, one end joined to the opposing surface of one substrate via the electrode, and the other end facing the other substrate via the electrode A plurality of thermoelectric elements arranged on opposite surfaces of each substrate in a manner to be bonded to each other, and a series circuit is formed by the plurality of electrodes and the plurality of thermoelectric elements, and current flows through the series circuit. In a thermoelectric module that conducts heat from one substrate to the other,
The plurality of thermoelectric elements are regions excluding the central region of the opposing surface of the substrate, and only in the outer peripheral region surrounding the central region, the plurality of thermoelectric elements are disposed in the entire region of the opposing surface of the thermoelectric module of the same size. Rather than the case where thermoelectric elements are arranged evenly, they are arranged in a dense state,
The central region is a region in which a thermoelectric element can be arranged, and is a region having an area that is four times or more the installation area of one thermoelectric element with respect to the opposing surface of the substrate. The thermoelectric element does not exist, and both the opposing surfaces of the substrate in the central region are formed of the same material as the electrode or another material, and a reinforcing member that does not mount the thermoelectric element is formed. Thermoelectric module to do.
を特徴とする請求項1記載の熱電モジュール。 The reinforcing member which is not mounted on the thermoelectric element formed in the central region is extended so as to be connected to an electrode mounted on the thermoelectric element arranged in the outer peripheral region. Item 2. The thermoelectric module according to item 1.
を特徴とする請求項1記載の熱電モジュール。 The change amount of the resistance value of the series circuit before and after forming the preliminary solder layer on the back side of each substrate is 1% or less of the resistance value of the series circuit before forming the preliminary solder layer. The thermoelectric module according to claim 1, wherein a plurality of thermoelectric elements are arranged.
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